Вояджер (КА)

«Вояджер» — космический зонд.

Запуск «Вояджера-2» на ракете-носителе «Титан 3Е-Центавр».

Во́яджер (англ. voyager, путешественник) — название серии американских космических аппаратов, а также проекта по исследованию дальних планет Солнечной системы с участием аппаратов данной серии.

Проект считается одним из самых успешных и результативных в истории межпланетных исследований. Оба «Вояджера» впервые передали качественные снимки Юпитера и Сатурна, а «Вояджер-2» впервые достиг Нептуна и Урана. «Вояджеры» стали третьим и четвёртым космическими аппаратами, покинувшими пределы Солнечной системы (первыми двумя были «Пионер-10» и «Пионер-11»).

Аппараты серии «Вояджер» — довольно крупные сооружения. Это высокоавтономные роботы, оснащённые собственными энергетическими установками, ракетными двигателями, компьютерами, системами радиосвязи и управления и научными приборами для исследования внешних планет, общей массой около 815 кг.

Всего было создано и отправлено в космос два аппарата серии «Вояджер»:

• Вояджер-1
• Вояджер-2

Аппараты были созданы в Лаборатории реактивного движения (англ. Jet Propulsion Laboratory — JPL) НАСА.

Проект «Вояджер»

Большое Красное пятно Юпитера, снятое Вояджером-1.

Фото Нептуна, сделанное Вояджером-2.

Проект «Вояджер» — один из самых выдающихся экспериментов, выполненных в космосе в последней четверти XX века. Расстояния до планет-гигантов слишком велики для наземных средств наблюдения. Поэтому отправленные на Землю «Вояджерами» фотоснимки и данные измерений имеют большую научную ценность.

Идея проекта впервые появилась в конце 60-х годов, незадолго до запуска первых пилотируемых аппаратов к Луне и аппаратов «Пионер» к Юпитеру.

Первоначально планировалось исследовать только Юпитер и Сатурн. Однако благодаря тому, что все планеты-гиганты удачно расположились в сравнительно узком секторе Солнечной системы («парад планет»), было возможно использование гравитационных маневров для облёта всех внешних планет, за исключением Плутона. Поэтому траектория полёта была рассчитана исходя из этой возможности, хотя официально изучение Урана и Нептуна не вошло в программу миссии (для гарантированного достижения этих планет потребовалось бы строительство более дорогих аппаратов с более высокими характеристиками по надёжности).

После того, как Вояджер-1 успешно выполнил программу исследования Сатурна и его спутника Титана, было принято окончательное решение направить Вояджер-2 к Урану и Нептуну. Для этого пришлось слегка изменить его траекторию, отказавшись от близкого пролёта около Титана.

Научное оснащение аппарата

• Телевизионные камеры, четкостью 800 строк, используются специальные видиконы с памятью. Считывание одного кадра требует 48 с.
  • широкоугольная (поле около 3°), фокусное расстояние 200 мм;
  • узкоугольная (0,4°), фокусное расстояние 500 мм;

• Спектрометры:
  • Инфракрасный, диапазон от 4 до 50 мкм;
  • Ультрафиолетовый, диапазон 50—170 нм;

• Фотополяриметр;

• Плазменный комплекс:
  • детектор плазмы;
  • детектор заряженных частиц низких энергий;
  • детектор космических лучей;
  • магнитометры высокой и низкой чувствительности;
  • приёмник плазменных волн.

Энергооснащение аппарата

В отличие от космических аппаратов, исследующих внутренние планеты, «Вояджеры» не могли применять солнечные батареи, так как поток солнечного излучения по мере удаления аппаратов от Земли становился слишком мал.

Источником электроэнергии являются три радиоизотопных термоэлектрических генератора (RTGs). Топливом в них служит Плутоний-238 (в отличие от Плутония-239, используемого в ядерном оружии) и их мощность в момент старта космического аппарата составляла примерно 470 Ватт при 30 вольтах постоянного тока. Период полураспада Плутония-238 примерно 87.74 года, и генераторы, использующие Pu-238, теряют 0.78% своей мощности в год. В 2006 году, через 29 лет после запуска, такие генераторы должны иметь мощность только 373Ватт, около 79.5% от исходной. Однако, биметаллическая термопара, которая конвертирует тепло в электричество, также теряет эффективность, и реальная мощность будет еще ниже. На 11 Августа 2006 года мощность генераторов Вояджер-1 и Вояджер-2 снизилась до 290 Ватт и 291 Ватта соответственно, т.е. составила около 60% от мощности на момент запуска. Эти показатели лучше, чем предполётные предсказания, основанные на консервативной теоретической модели деградации термопары. С падением мощности приходится сокращать энергопотребление космического аппарата, что ограничивает его функциональность.

Технические проблемы «Вояджера-2» и их решение

Полёт «Вояджера-2» продлился гораздо дольше, чем было запланировано. В связи с этим, после пролёта Юпитера, ученым сопровождавшим миссию пришлось решить огромное количество технических проблем. Однако заложенные изначально правильные подходы к конструированию аппаратов, позволили это сделать. К наиболее значимым и успешно решенным проблемам можно отнести:

• выход из строя компенсатора частоты сигнала радиопередатчика. Это устройство должно было подстраивать частоту несущей радиопередатчика в связи с тем, что она у двигающего со скоростью порядка 11,5 км в секунду аппарата испытывает значительное смещение Допплера. Проблема была решена созданием в максимально сжатые сроки земного аналога этого устройства, но уже для наземного приёмного комплекса, работающего до сих пор, без которого связь с аппаратом была бы невозможна;
• выход из строя одной из ячеек оперативной памяти бортовой ЭВМ — программу удалось переписать и загрузить так, что этот бит перестал влиять на программу;
• на определенном участке полёта применявшаяся система кодирования управляющего сигнала уже переставала отвечать требованиям достаточной помехозащищённости из-за ухудшения соотношения сигнал/шум. В бортовую ЭВМ была загружена новая программа, осуществлявшая кодирование гораздо более защищенным кодом (был применён двойной код Рида-Соломона).
• при пролёте плоскости колец Сатурна бортовая поворотная платформа с телекамерами была заклинена, вероятно, частицей этих колец. Осторожные попытки поворота её туда-сюда позволили, в конце концов, разблокировать платформу;
• падение мощности питающих изотопных элементов потребовало составления сложных циклограмм работы бортового оборудования — часть которого начали временами отключать, чтобы предоставить другой части достаточно электроэнергии;
• незапланированное вначале удаление аппаратов от Земли потребовало многократной модернизации наземного приёмо-передающего комплекса, чтобы принимать слабеющий сигнал.

Послание внеземным цивилизациям

Основная статья: Золотая пластинка «Вояджера»

Образец золотой пластинки, прикреплённой к аппаратам.

К борту каждого «Вояджера» прикрепили круглую алюминиевую коробку, положив туда позолоченный видеодиск. На диске 115 слайдов, на которых собраны важнейшие научные данные, виды Земли, её материков, различные ландшафты, сцены из жизни животных и человека, их анатомическое строение и биохимическая структура, включая молекулу ДНК.

В двоичном коде сделаны необходимые разъяснения и указано местоположение Солнечной системы относительно 14 мощных пульсаров. В качестве «мерной линейки» указана сверхтонкая структура молекулы водорода (1420 МГц).

Кроме изображений, на диске записаны и звуки: шёпот матери и плач ребёнка, голоса птиц и зверей, шум ветра и дождя, грохот вулканов и землетрясений, шуршание песка и океанский прибой.

Человеческая речь представлена на диске короткими приветствиями на 58 языках народов мира. По-русски сказано: «Здравствуйте, приветствую вас!». Особую главу послания составляют достижения мировой музыкальной культуры. На диске записаны произведения Баха, Моцарта, Бетховена, джазовые композиции Луи Армстронга, Чака Берри и народная музыка многих стран.

На диске записано также обращение Картера, который в 1977 г. был президентом США. Вольный перевод обращения звучит так:

Этот аппарат создан в США, стране с населением 240 млн. человек среди 4-миллиардного населения Земли. Человечество все ещё разделено на отдельные нации и государства, но страны быстро идут к единой земной цивилизации. Мы направляем в космос это послание. Оно, вероятно, выживет в течение миллиарда лет нашего будущего, когда наша цивилизация изменится и полностью изменит лик Земли… Если какая-либо цивилизация перехватит „Вояджер“ и сможет понять смысл этого диска — вот наше послание: Это — подарок от маленького далёкого мира: наши звуки, наша наука, наши изображения, наша музыка, наши мысли и чувства. Мы пытаемся выжить в наше время, чтобы жить и в вашем. Мы надеемся, настанет день, когда будут решены проблемы, перед которыми мы стоим сегодня, и мы присоединимся к галактической цивилизации. Эти записи представляют наши надежды, нашу решимость и нашу добрую волю в этой Вселенной, огромной и внушающей благоговение.

Аппараты покидают солнечную систему

Иллюстрация выхода космических аппаратов за пределы солнечной системы

После встречи с Нептуном траектория «Вояджера-2» отклонилась к югу. Теперь его полет проходит под углом 48° к эклиптике, в южной полусфере. «Вояджер-1» поднимается над эклиптикой (начальный угол 38°). Аппараты навсегда покидают пределы Солнечной системы.

Технические возможности аппаратов таковы: энергии в радиоизотопных термоэлектрических батареях хватит для работы по минимальной программе примерно до 2025 г. Проблемой может стать возможная потеря Солнца солнечным датчиком, так как с большого расстояния Солнце становится все более тусклым. Тогда направленный радиолуч отклонится от Земли, и приём сигналов аппарата станет невозможным. Это может произойти около 2030 г.

Теперь из научных исследований «Вояджеров» на первом месте — изучение переходных областей между солнечной и межзвёздной плазмой. «Вояджер-1» пересёк гелиосферную ударную волну (англ. termination shock) в декабре 2004 года на расстоянии 94 а. е. от Солнца^[1]. Информация, поступающая с «Вояджера-2», привела к новому открытию: хотя аппарат ещё не достиг данной границы, но получаемые от него данные свидетельствуют, что она асимметрична — её южная часть примерно на 10 а. е. ближе к Солнцу, чем северная (вероятное объяснение — влияние межзвёздного магнитного поля)^[2]. «Вояджер-2» пересек гелиосферную ударную волну 30 августа 2007 года на расстоянии 84,7 а.е. [1], [2] Ожидается, что аппараты пересекут гелиопаузу примерно через 10 лет после пересечения гелиосферной ударной волны^[1].

Космический аппарат «Вояджер-2», запущенный в 1977 году, пересек в августе границу Солнечной системы (точнее, гелиосферы). 10 декабря 2007 NASA сообщило о результатах анализа данных, присланных «Вояджером».

На определенном расстоянии скорость солнечного ветра резко падает и перестает быть сверхзвуковой. Область (практически поверхность), в которой это происходит, называется границей ударной волны (termination shock или termination shockwave). Это и есть граница, которую пересекли «Вояджеры». Можно считать ее границей внутренней гелиосферы. По некоторым определениям, гелиосфера здесь и кончается.

«Вояджер-2» подтвердил, что гелиосфера — не идеальный шар, она сплющена: ее южная граница находится ближе к Солнцу, чем северная. Кроме того, аппарат сделал еще одно неожиданное наблюдение.

Торможение солнечного ветра за счет противодействия межзвездного газа должно было бы приводить к резкому повышению температуры и плотности плазмы ветра. Действительно, на границе ударной волны температура была выше, чем во внутренней гелиосфере, но все равно в десять раз меньше, чем ожидалось. Чем вызвано расхождение и куда девается энергия, неизвестно.

Ученые надеются, что связь с «Вояджерами» удастся поддерживать и после того, как они пересекут гелиопаузу.

Примечания

1. ↑ ^{1 2} Voyager — Fast Facts
2. ↑ Voyager II detects solar system’s edge

Внешние Ссылки

Официальный сайт программы «Вояджер» (англ.)